CN105286902B - 一种去除ct图像金属伪影的方法 - Google Patents

Abstract

一种去除CT图像金属伪影的方法：测定混合能量X射线的有效能量并获取一幅含有金属伪影的CT图像，即有效能量下的单能CT图像；读取上述CT图像中的CT值并转换为目标单能能量下的线性衰减系数，再计算目标单能能量下的CT值，得到单能能量下的CT图像；将有效能量下的单能CT图像和目标单能能量下的CT图像作减影，分别保留金属部分和软组织部分，得到减影金属图像和减影软组织图像；通过相关计算替换有效能量下的单能CT图像中伪影部分的CT值，得到去除伪影的CT图像；通过相关计算替换去除伪影的CT图像中黑色伪影部分的CT值，得到含填充值的CT图像。本发明通过建立合理有效、简单快捷的数学模型去除混合能量下的CT图像中的金属伪影。

Description

一种去除CT图像金属伪影的方法

技术领域

本发明涉及一种医学CT图像处理方法。特别是涉及一种去除CT图像金属伪影的方法。

背景技术

随着X射线的发现和使用，双能X射线理论在1953年由Jacobson提出。近年来，随着CT技术的发展，双能X射线理论逐渐应用于放射诊断和治疗中。双能CT成像则是双能X射线理论应用于CT成像领域的产物，其最主要的作用是可以去除普通CT图像中普遍存在的金属伪影。

目前广泛应用的双能CT理论是Robert E.Alvarez和Albert Macovski于1976年在《Physics in Medicine and Biology》杂志发表的“Energy-selective Reconstructionsin X-ray ComputerizedTomography”一文中所提到的“能量选择性重建方法”：将X光与人体组织的相互作用简单地划分为光电子效应和康普顿效应两种，当两种不同峰值的能量谱的X射线照射在同一区域时，由于不同物质对于不同能量的X射线有不同的、特异性的衰减系数，通过相应的数学运算，可以得到虚拟的单能CT图像。简而言之，双能CT理论是使用两种不同峰值的能量谱的X射线照射，计算出不同的虚拟单能CT图像。这一理论已经被应用到现有的商用双能CT扫描机器中(如美国通用公司的Discovery CT750HD)。但是该应用受限于硬件的发展，相关设备的价格非常高昂。而现有的普通CT扫描机器，只能发出单一峰值的能量谱的X射线(即混合能量X射线)，只能得到一种混合能量CT图像。因此，探索一种从现有普通的混合能量CT图像获得双能CT图像，再通过图像处理消除金属伪影的方法，是具有极大的实际应用价值的。

Chuanyong Bai,Ling Shao,Angela J.Da Silva等人于2003年在《IEEETransactions on Nuclear Science》发表的文章“A Generalized Model for theConversion from CT Numbers to Linear Attenuation Coefficients”中提到一种用于正电子发射断层摄影(PET)/CT成像中对衰减系数进行校正的双线性方法。该方法实现的是单能CT图像之间的转换，并将混合能量CT图像看成是其有效能量下的CT图像，即混合能量可以理解为一种单能能量。所采用的线性转换方法则是将物质看成水和某种物质按一定的比例混合而成：先求出该混合比例，再求出转换系数，最终求出该物质对应的线性衰减系数，再转化为CT值。对于不同的能量，其混合比例也会发生相应的变化。通过上述的方法，可以将普通的混合能量的CT转换为单能CT图像，因为各个组织的转换系数不同，通过图像减影可以选择性的保留某组织，为消除金属伪影，所以选择去除其他组织保留金属，得到只含有金属的CT图像，叠加到原图像中则可以去除CT图像的金属伪影。而由于金属的存在，CT图像中某些软组织的CT值呈现为负值状态，需要对其进行CT值填充，仍然通过减影保留软组织，去除骨骼组织和金属，然后叠加到原CT图像，可以填充软组织的CT值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以使普通CT扫描机器获得单能CT图像，并且获得双能CT功能的去除CT图像金属伪影的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种去除CT图像金属伪影的方法，包括如下步骤：

1)测定待使用CT机的X光管发射的混合能量的有效能量，所测量的有效能量记为E_eff；

2)使用所述的CT机的混合能量X射线获取一幅含有金属伪影的CT图像，把所获取的图像看成有效能量E_eff下的单能CT图像，表示为I_eff；

3)读取有效能量E_eff的单能CT图像I_eff中的CT值；

4)将单能CT图像I_eff的CT值转换为目标单能能量E下的线性衰减系数；

5)根据步骤4)得到的目标单能能量E下的线性衰减系数，计算CT值，再将CT值映射到灰度范围内并显示出来即为目标单能能量E下的CT图像，表示为I_res；

6)将有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff和目标单能能量E下的CT图像I_res对软组织部分作减影，保留图像中的金属部分，得到减影金属图像，表示为I_metal；

7)将有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff和目标单能能量E下的CT图像I_res对金属部分作减影，保留图像中的软组织部分，得到减影软组织图像，表示为I_softtissue；

8)将有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff中大于250的CT值与减影金属图像I_metal中对应位置的CT值作平均，得到CT值的平均值，并用所述的平均值替换有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff中对应位置的CT值，得到去除伪影的CT图像，表示为I₁；

9)将去除伪影的CT图像I₁中小于0的CT值与减影软组织图像I_softtissue中对应位置的CT值作平均，得到CT值的平均值，并用所述的平均值替换去除伪影的CT图像I₁中对应位置的CT值，得到含填充值的CT图像，表示为I₂。

步骤4)所述的转换为目标单能能量E下的线性衰减系数，是通过如下公式获得：

μ_x(E)＝[1+(ρ_A×R_A-1)×HU_x(E_eff)/HU_A(E_eff)]×μ_w(E) (1)

公式中的参数说明如下：

A：肺或骨骼或软组织；

μ_x(E)：目标单能能量E的线性衰减系数；

μ_w(E)：目标单能能量E下水的线性衰减系数；

HU_x(E_eff)：有效能量E_eff的单能CT图像I_eff中的CT值；

HU_A(E_eff)：有效能量E_eff下A物质的CT值；

ρ_A：A物质的密度；

R_A：质量衰减系数之比。

步骤5)所述的计算CT值，是通过如下公式获得：

HU_x(E)＝(μ_x(E)-μ_w(E))/μ_w(E)×1000 (2)

公式中的参数说明如下：

μ_x(E)：目标单能能量E下的线性衰减系数；

μ_w(E)：目标单能能量E下水的线性衰减系数；

HU_X(E)：目标单能能量E下的CT值。

步骤6)所述的减影，是通过如下公式获得：

I_metal＝I_eff-ω_m×I_res (3)

公式中的参数说明如下：

I_metal：减影金属图像；

I_eff：有效能量E_eff下的单能CT图像；

I_res：目标单能能量E下的CT图像；

ω_m：减影金属系数。

步骤7)所述的减影，是通过如下公式获得：

I_softtissue＝I_eff-ω_s×I_res (4)

公式中的参数说明如下：

I_softtissue：减影软组织图像；

I_eff：有效能量E_eff下的单能CT图像；

I_res：目标单能能量E下的CT图像；

ω_s：减影软组织系数。

本发明的一种去除CT图像金属伪影的方法，通过建立合理有效、简单快捷的数学模型去除混合能量下的CT图像中的金属伪影。具有如下优点：

1、形式简单，参量少，计算速度快，便于应用；

2、在现有混合能量CT成像的基础上通过软件方法去除金属伪影，节约成本，提升原有CT机的诊断能力；

3、生成的单能CT图像与其它双能CT机生成的单能图像相比，图像质量相当；

4、对CT机型号和CT图像的电压、电流和曝光时间不作要求，只需确定相应的有效能量即可，应用比较广泛；

5、过程和正常CT扫描一致，无需其他扫描，不会给病人带来额外的剂量辐射。

附图说明

图1是GE Optima CT580 CT扫描仪在峰值电压120kVp、管电流269mA和曝光时间1782ms下的一幅病人头颈部位置的含有金属牙齿的CT图像效果图；

图2是使用本发明的方法得到的目标单能能量140keV下的CT图像I_res的效果图；

图3为使用本发明的方法得到的仅去除伪影CT图像I₁的效果图；

图4为使用本发明的方法得到的含填充值CT图像I₂的效果图，即为最终的处理结果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种去除CT图像金属伪影的方法做出详细说明。

本发明的一种去除CT图像金属伪影的方法，包括如下步骤：

1)测定待使用CT机的X光管发射的混合能量的有效能量，所测量的有效能量记为E_eff；

2)使用所述的CT机的混合能量X射线获取一幅含有金属伪影的CT图像，把所获取的图像看成有效能量E_eff下的单能CT图像，表示为I_eff；

3)读取有效能量E_eff的单能CT图像I_eff中的CT值；

4)将单能CT图像I_eff的CT值转换为目标单能能量E下的线性衰减系数，是通过如下公式获得：

μ_x(E)＝[1+(ρ_A×R_A-1)×HU_x(E_eff)/HU_A(E_eff)]×μ_w(E) (1)

公式中的参数说明如下：

A：肺或骨骼或软组织；

μ_x(E)：目标单能能量E的线性衰减系数；

μ_w(E)：目标单能能量E下水的线性衰减系数；

HU_x(E_eff)：有效能量E_eff的单能CT图像I_eff中的CT值；

HU_A(E_eff)：有效能量E_eff下A物质的CT值；

ρ_A：A物质的密度；

R_A：质量衰减系数之比：

5)根据步骤4)得到的目标单能能量E下的线性衰减系数，计算CT值，再将CT值映射到灰度范围内并显示出来即为目标单能能量E下的CT图像，表示为I_res，所述的计算CT值，是通过如下公式获得：

HU_x(E)＝(μ_x(E)-μ_w(E))/μ_w(E)×1000 (2)

公式中的参数说明如下：

μ_x(E)：目标单能能量E下的线性衰减系数；

μ_w(E)：目标单能能量E下水的线性衰减系数；

HU_X(E)：目标单能能量E下的CT值；

6)将有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff和目标单能能量E下的CT图像I_res对软组织部分作减影，保留图像中的金属部分，得到减影金属图像，表示为I_metal，所述的减影，是通过如下公式获得：

I_metal＝I_eff-ω_m×I_res (3)

公式中的参数说明如下：

I_metal：减影金属图像；

I_eff：有效能量E_eff下的单能CT图像；

I_res：目标单能能量E下的CT图像；

ω_m：减影金属系数，可以根据去除金属伪影的效果进行调节；

7)将有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff和目标单能能量E下的CT图像I_res对金属部分作减影，保留图像中的软组织部分，得到减影软组织图像，表示为I_softtissue，所述的减影，是通过如下公式获得：

I_softtissue＝I_eff-ω_s×I_res (4)

公式中的参数说明如下：

I_softtissue：减影软组织图像；

I_eff：有效能量E_eff下的单能CT图像；

I_res：目标单能能量E下的CT图像；

ω_s：减影软组织系数，可以根据填充CT值的效果进行调节；

8)将有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff中大于250的CT值与减影金属图像I_metal中对应位置的CT值作平均，得到CT值的平均值，并用所述的平均值替换有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff中对应位置的CT值，得到去除伪影的CT图像，表示为I₁；

9)将去除伪影的CT图像I₁中小于0的CT值与减影软组织图像I_softtissue中对应位置的CT值作平均，得到CT值的平均值，并用所述的平均值替换去除伪影的CT图像I₁中对应位置的CT值，得到含填充值的CT图像，表示为I₂，含填充值的CT图像I₂则是有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff通过本发明的一种去除CT图像金属伪影的方法处理后的最终结果。

以下结合附图1、2、3、4以一头颈部混合能量CT图像为例，对本发明的一种去除CT图像金属伪影的方法做进一步的说明。本实施例的目的在于：将该患者在峰值电压为120kVp的混合能量X射线照射下获得的一张混合能量含金属伪影的CT图像中的金属伪影去除，并填充由于金属所造成得软组织CT值变成负值的区域。具体实施步骤如下：

1)本实施例中患者头颈部含金属伪影的混合能量CT图像在扫描峰值电压为120kVp、管电流是269mA及曝光时间是1782ms下获得，并测量在峰值电压为120kVp时CT机发出的混合能量X射线的有效能量E_eff为70.8keV；

2)将步骤1)中所获得的CT图像作为有效能量E_eff(70.8keV)下的单能CT图像I_eff(如图1所示)；

3)打开CT图像I_eff；

4)利用公式(1)将有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff中的CT值转换为目标单能能量E(140keV)下的线性衰减系数，再将该线性衰减系数代入公式(2)计算出转换后的CT值，并将该CT值映射到灰度范围内并显示出来得到目标单能能量E下的CT图像I_res，如图2所示。

5)根据公式(3)，将有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff和目标单能能量E下的CT图像I_res对软组织部分作减影，保留图像中的金属部分，得到减影金属图像I_metal。再根据公式(4)，将有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff和目标单能能量E下的CT图像I_res对金属部分作减影，保留图像中的软组织部分，得到减影软组织图像I_softtissue；

6)将有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff中大于250的CT值与减影金属图像I_metal中对应位置的CT值作平均，得到CT值的平均值，并用所述的平均值替换有效能量E_eff下的单能CT图像I_eff中对应位置的CT值，得到去除伪影的CT图像，表示为I₁，如图3所示。

7)将去除伪影的CT图像I₁中小于0的CT值与减影软组织图像I_softtissue中对应位置的CT值作平均，得到CT值的平均值，并用所述的平均值替换去除伪影的CT图像I₁中对应位置的CT值，得到含填充值的CT图像，表示为I₂，如图4，含填充值CT图像I₂则是通过本发明的一种去除CT图像金属伪影的方法对该头颈部含金属伪影的CT图像I进行处理后的最终结果。

此实施例通过使用本发明的一种去除CT图像金属伪影的方法，去除了峰值电压为120kVp的含金属伪影的混合能量CT图像中的金属伪影，并通过附图说明，证明了本发明的一种去除CT图像金属伪影的方法在去除混合能量CT图像中金属伪影方面效果显著。此实施例作为本发明在CT成像领域的一个实际应用，具有方法简单，应用方便，节约成本等特点，具有极大的实际意义。

本发明可应用于任何CT扫描机器在任意kVp能量下扫描的混合能量CT图像。并且，针对CT扫描仪的X光管有效能量的测定可以使用任意的针对CT扫描仪的有效能量的测定方法。例如，Michael R.Millner等人于1978年发表于《Medical Physics》的“Determinationof effective energies in CT calibration”文章所提到方法。此外，本实施例中获取的单能CT图像，其能量不仅仅局限于140keV，可以设定为任意一个具有临床实用意义的目标单能能量值。还需注意的是，本发明的方法所能处理的CT图像不局限于实施例中头颈部部位置的含金属伪影的CT图像，是可以应用于人体或动物任意位置的含金属伪影的CT图像的方法。例如，可以用于人体胸部和髋关节的含金属伪影CT图像。最后，混合能量的有效能量的测定值与曝光时间和曝光电流无关，所以本发明提出的方法可以应用于任意曝光时间和曝光电流下获取的混合能量CT图像。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种去除CT图像金属伪影的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）测定待使用CT机的X光管发射的混合能量的有效能量，所测量的有效能量记为；

2）使用所述的CT机的混合能量X射线获取一幅含有金属伪影的CT图像，把所获取的图像看成有效能量下的单能CT图像，表示为；

3）读取有效能量的单能CT图像中的CT值；

4）将单能CT图像的CT值转换为目标单能能量E下的线性衰减系数；

5）根据步骤4）得到的目标单能能量E下的线性衰减系数，计算目标单能能量E下的CT值，再将目标单能能量E下的CT值映射到灰度范围内并显示出来即为目标单能能量E下的CT图像，表示为；

6）将有效能量下的单能CT图像和目标单能能量E下的CT图像对软组织部分作减影，保留图像中的金属部分，得到减影金属图像，表示为；

7）将有效能量下的单能CT图像和目标单能能量E下的CT图像对金属部分作减影，保留图像中的软组织部分，得到减影软组织图像，表示为；

8）将有效能量下的单能CT图像中大于250的CT值与减影金属图像中对应位置的CT值作平均，得到CT值的第一个平均值，并用所述的第一个平均值替换有效能量下的单能CT图像中对应位置的CT值，得到去除伪影的CT图像，表示为；

9）将去除伪影的CT图像中小于0的CT值与减影软组织图像中对应位置的CT值作平均，得到CT值的第二个平均值，并用所述的第二个平均值替换去除伪影的CT图像中对应位置的CT值，得到含填充值的CT图像，表示为。

2.根据权利要求1所述的一种去除CT图像金属伪影的方法，其特征在于，步骤4）所述的转换为目标单能能量E下的线性衰减系数，是通过如下公式获得：

（1）

公式中的参数说明如下：

A：肺或骨骼或软组织；

：目标单能能量E的线性衰减系数；

：目标单能能量E下水的线性衰减系数；

：有效能量的单能CT图像中的CT值；

：有效能量下A物质的CT值；

：A物质的密度；

：A物质与水的质量衰减系数之比。

3.根据权利要求1所述的一种去除CT图像金属伪影的方法，其特征在于，步骤5）所述的计算CT值，是通过如下公式获得：

（2）

公式中的参数说明如下：

：目标单能能量E下的线性衰减系数；

：目标单能能量E下水的线性衰减系数；

：目标单能能量E下的CT值。

4.根据权利要求1所述的一种去除CT图像金属伪影的方法，其特征在于，步骤6）所述的减影，是通过如下公式获得：

（3）

公式中的参数说明如下：

：减影金属图像；

：有效能量下的单能CT图像；

：目标单能能量E下的CT图像；

：减影金属系数。

5.根据权利要求1所述的一种去除CT图像金属伪影的方法，其特征在于，步骤7）所述的减影，是通过如下公式获得：

（4）

公式中的参数说明如下：

：减影软组织图像；

：有效能量下的单能CT图像；

：目标单能能量E下的CT图像；

：减影软组织系数。